“人工智能+ 新工科”背景下计科专业实践教学改革新探

张微

摘要：面对“人工智能+ 新工科”时代更加注重学生实践能力提高的新要求，针对计算机科学与技术（简称“计科”）专业实践教学中学生工程实践能力较为薄弱，实践教学内容难以适应技术更新要求，实践教学方式单一，产学合作不足的现状和问题，需要采取实践教学改革新策略，打破传统计科专业实践教学体系及人才培养模式，对现有实践教学课程体系、教学模式、教学方法、途径等进行调整与优化，构建基于“人工智能+ 新工科”的一体两翼型实践教学架构，以提高计科专业学生的工程实践能力和综合素质，培养创新创业实践型计科专业人才，适应新时代企业和社会发展的需要。

关键词：人工智能；新工科；计科专业；实践教学；教学改革

中圖分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）06-0140-03

0 引言

近年来，以深度学习为代表的“人工智能”技术迅猛发展，大幅度跨越了科学研究与实际应用之间的鸿沟，相关技术已经融入社会各个领域，以云计算、大数据、区块链、物联网、机器学习和神经网络为技术基础的智能时代已经到来[1]。相对于传统工科而言，在新科技革命和产业变革背景下，新工科专业应运而生，标志着我国工程教育发展新思维、新方式下的重大战略转变，深刻地影响着高校计算机科学与技术专业实践教学与人才培养[2-4]。计算机科学与技术（简称“计科”）专业多年来一直处于高速发展的轨道中，是社会需求量非常大的一级学科本科专业，实践性极强，工程实践能力和综合素质要求非常高。计科专业创新创业实践型人才的培养是高等教育的发展方向和重要目标。面对“人工智能+ 新工科”时代对计科专业提出的新要求，将“人工智能”新理论、新技术、新成果与“新工科”建设全面深度融合，探索计科专业实践教学新模式，优化传统实践教学内容与方法，推动新工科创新型实践教学模式的建设与发展，培养计科专业领域创新创业实践型人才，既是高校人才培养的重要目标，也是企业对人才素质的现实要求；既是适应新时代中国经济建设和经济转型，实现国家发展战略目标的迫切要求，更是国家富强和民族复兴的必然要求。

1 计科专业实践教学现状和问题分析

计科专业作为重要的新工科专业，时代特点鲜明，具有发展动态性[1]。计科专业也是实践性很强的专业，要求学生不仅要掌握坚实的理论基础，更需要有较强的动手能力和解决实际问题的能力。计科专业学生的实践能力在人才培养体系中占有重要地位，也是培养创新应用型人才的重要内容。从目前情况来看，计科专业传统实践教学包括课内实验、课程设计、认知实习、电子工艺实习、生产实习、毕业设计等[3]。而新工科为高校工程教育教学实践探索提出了新要求。新工科建设既是对传统工科的升级换代，又是适应产业科技革命引发的新兴工程类学科发展的现实需要。显然，计科专业实践教学存在亟需直面的一些现实问题。

1.1 工程实践能力薄弱，师生有畏难情绪

我国部分高校教学过程中存在重理论、轻实践的现象。大部分工科课程理论知识本身具有一定难度，学生理解掌握起来较为困难，而由于学生对基本理论知识学习存在一知半解或者理解掌握不全面不准确的问题，导致在实践过程中自然不能得心应手。工程实践能力薄弱使得学生在将理论运用到实际操作过程中可谓是难上加难。除此之外，近年来高校工科专业教师的学历层次虽然有大幅度提高，教师对理论知识的掌握也相对较为完备，但是，却也存在缺乏实际工程实践经验，对企业运行模式及人才实际需求的了解还不够到位，不够深入等问题。师生对实践教学存在畏难情绪，对实践教学重视不够，必然会影响学生动手能力和实践操作能力的培养。

1.2 课时相对有限，难以挑战高阶任务

计科专业开设的课程主要以理论教学为主，注重学生专业理论知识的学习，实践教学则放在辅助位置。在人才培养方案中，理论课时通常远大于实践课时。实践教学内容具有逻辑性强、挑战性大的特点，对师生均有较高要求。实践教学课时少、实验条件参差不齐，而采用传统教学模式自然难以实现实践教学目标，挑战高阶任务，影响课程目标达成度。

1.3 实践教学内容难以适应技术更新要求

计科专业强调动手能力和实践操作能力，新理论、新技术、新知识层出不穷，更新速度快[6]。而不少高校计算机专业的实践教学内容却过于陈旧，且长期不变，往往滞后于新时代智能化应用现状，跟不上新时代新理论、新技术、新知识更新的步伐，与企业、社会对工程技术人才的需求严重脱轨，实践教学案例也与新时代的现实应用脱节，学生参与实践的积极性不高，严重影响了实践教学效果。

1.4 实践教学方式单一，产学合作不足

计科专业的传统实践教学方式单一，以教师讲授为主，通常在学校实验室线下进行，实验内容以验证性为主，缺少设计型、综合性实践环节，课程内容不易激发学生的学习兴趣及创新意识。学生对实践课程重视不足，缺少实验课前预习和课后总结分析。同时，企业主体作用发挥不到位，校企合作还不够深入，合作层次还没有完全融入人才培养过程中，导致学生对软件开发过程认识不清晰、系统设计训练和培养明显不足[7]。学校教育与企业需求脱节，毕业生和企业需要花费较多时间和精力进行适应和磨合。

2 基于“人工智能+ 新工科”的计科专业“一体两翼型”实践教学架构

研究针对计科专业实践教学存在的问题，结合新时代计科专业新特征，打破传统计算机科学与技术专业实践教学体系及人才培养模式，构建基于“人工智能+ 新工科”的创新型实践教学改革机制，建立基于“人工智能+ 新工科”的计科专业“一体两翼型”实践教学架构。如图1所示，其中“一体”代表以计科专业实践教学主体内容为轴心，“两翼”为“新工科”和“人工智能”融入实践教学主体的新理念、新方向、新要求、新理论、新技术和新成果。通过“新要素”的融入，调整、优化传统实践教学主体内容，建立“1 + 2 + 1”阶梯递进式模块化实践教学新体系，构建“多主体——多阶段——多元化”实践教学新模式，探索混合式教学、虚拟仿真、实践教学平台、双创教育、产学合作等多种实践教学新方法、新途径，培养符合“人工智能+ 新工科”时代要求的计科专业创新创业实践型人才。

3 基于“人工智能+ 新工科”的计科专业实践教学改革新策略新路径

根据“人工智能+ 新工科”时代要求，基于上述“一体两翼型”实践教学架构，结合宝鸡文理学院计算机学院计科专业实践教学现状，从课程体系、教学模式和实践教学方法、途径等方面探索实践教学改革新策略新路径。

3.1 建立“1 + 2 + 1”阶梯渐进式模块化实践教学课程体系

采用大类招生模式和4年基本学制，综合考虑学生专业课程体系建设和能力导向需求，构建基于“人工智能+ 新工科”的计科专业实践教学“1 + 2 + 1”阶梯渐进式模块化课程体系，如图2所示。

第1 学年以专业基础课程实践为主夯实学科基础，包括程序设计基础、离散数学、计算机系统基础等专业基础课程课内实验和问题求解、认知实习、程序设计能力达标测试等课外实践环节，第2～3 学年以专业课课内实验和专业课拓展实践为主提高专业知识和技能。专业课课内实验包括数据结构与算法、数字逻辑与计算机组成、操作系统等核心专业课程的课内实验。除此之外，增加与之对应的课程设计环节，包括数据结构课程设计和计算机模型机设计等。相比较课内实验课时较少，内容相对简单，多以验证性实验为主，课程设计是对应课程的综合性实践教学环节，让学生完成一项涉及本课程主要内容的综合性、应用性的系统设计开发题目。同时，增设企业实训课程以及专业实习与应用能力达标测试等课外专业课拓展实践环节。最后1学年通过行业实践、综合工程训练、毕业设计等综合实践环节加强学生应用创新实践能力训练。

3.2 构建“多主体——多阶段——多元化”实践教学新模式

针对实践教学方式单一，产学合作不足的问题，提出“多主体——多阶段——多元化”实践教学新模式，如图3所示。该模式充分发挥学校、教师、企业多主体作用，积极与企业开展项目合作，增强与企业合作建立实践课程，通过校内实训、企业实习实践等教学环节，强化学生对理论知识的理解、提升创新实践能力。将实践教学过程分为课前、课中、课后三个阶段。要求学生课前预习、课中主动学习、课后总结分析，形成实验、实訓、实习报告。与此同时，将新工科和人工智能“新要素”融入实践教学主体，从教学方式、教学内容、考核方式等多方面实现实践教学的多元化。引入以问题引导为基础的探究性学习、以案例分析为基础的讨论性学习、以项目实践为基础的参与性学习等创新性学习方法，努力提升学生综合素养，利用现代信息技术，促进虚拟现实、人工智能等信息技术与教育教学深度融合，切实提高教学效果与效率。

3.3 探索线上线下混合式教学、虚拟仿真、实践教学平台、双创教育、产学合作等实践教学新方法、新途径

“人工智能+ 新工科”背景下，针对实践教学现状及问题，重塑计科专业人才培养质量观，对现有实践教学方法进行改进。采用线上线下混合式教学、虚拟仿真、双创教育、产学合作等多种方法、途径，提高教学过程的灵活性、互动性，提升学生学习兴趣，切实提高教学效果，培养符合“人工智能+ 新工科”时代要求的计科专业创新创业实践型人才。

1）开展线上线下混合式教学。在线实验教学对于计科专业具有很好的契合度，如编程类、软件开发类等课程实验均可通过在线方式完成，与线下教学进行有机结合，实现混合式教学。

2）搭建虚拟仿真实验环境。对部分专业基础课程，可以搭建虚拟仿真实验环境，如数字逻辑与计算机组成等课程实验，可以采用Logisim虚拟仿真实验软件。虚拟仿真实验能够模拟真实实验环境，不仅降低了实验教学成本，还能够提高实验教学的安全性，克服了传统计算机硬件实验对实验时间和实验场地的限制，课内课外相结合，也为学生提供了自主学习、个性化学习的机会，满足现代化教学需要，适合线上线下开展。

3）利用实践教学平台。利用头歌（EduCoder）实践教学平台搭建实践型MOOC，更好地建立多元化层次化实验体系。通过头歌实践教学平台创建SPOC课程，教师可全程掌控学生实验过程和成绩，帮助教师了解学生的实验进度及对课程的掌握情况。

4）加强双创实践教育。鼓励教师指导、学生参加大学生创新创业训练计划项目、中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛、“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛等比赛，通过创新创业大赛锻炼实践能力，提升实践教学效果。

5）加强与企业的合作、产学研结合。通过建设校外实践基地，选派青年教师到企业学习，邀请企业有经验的一线工程师参与校内校外实践环节，讲授企业实际项目案例，提高教师专业技能，提升学生的动手实践创新能力。

4 结束语

“人工智能+ 新工科”时代需要深化高校工程教育改革，打破传统实践教学体系及人才培养模式，建立创新型实践教学改革机制，本文基于“人工智能+ 新工科”的计科专业一体两翼型实践教学架构，从实践教学课程体系、教学模式、教学方法及教学途径等方面进行探索，提出计科专业实践教学改革策略和实施路径，不断提高计科专业学生的实际操作、实践创新能力及各种综合素质，更好地适应新时代企业和社会对工程技术人才的需要。

参考文献：

[1] 李德毅，马楠.智能时代新工科——人工智能推动教育改革的实践[J].高等工程教育研究，2017（5）：8-12.

[2] 李波，覃俊，李子茂，等“. 人工智能+新工科”视域下软件工程专业实验实践教学改革[J].计算机教育，2021（7）：82-86.

[3] 陈义明，刘桂波，张林峰，等.基于多尺度CDIO的人工智能新工科人才培养模式[J].计算机教育，2022（8）：11-14.

[4] 刘刚，周庆国，海轩，等.面向新工科视角的实践性教学探索研究[J].微纳电子与智能制造，2021，3（4）：103-109.

[5] 李妍，孙冬璞，崔永利，等.新工科背景下计算机组成原理课程实践教学的探索[J]. 中国现代教育装备，2020（19）：49-51+61.

[6] 李波，覃俊，帖军.新工科及人工智能背景下计算机类专业创新创业教育研究[J].实验技术与管理，2021，38（3）：18-22.

[7] 王征，栾鑫，刘旦，等“. 人工智能+新工科”创新型实践教学人才培养对策探讨[J].长春工程学院学报（社会科学版），2022，23（3）：90-93.

【通联编辑：王力】